操作系统生产者与消费者专业课程设计.doc

《操作系统》课程设计

生产者和消费者问题

系 院：计算机科学系
学生姓名：吴伟
学 号：
专 业：软件工程
年 级：0701B
完毕日期：11月
指引教师：刘栓

一、课程设计性质与任务
1、生产者-消费者问题是很典型很具备代表性进程同步问题，计算机中诸多同步问题都可抽象为生产者-消费者问题，通过本实验练习，但愿能加深学生对进程同步问题结识与理解。
2、熟悉VC使用，培养和提高学生分析问题、解决问题能力。

二、课程设计内容及其规定
1． 实验内容
以生产者/消费者模型为根据，在Windows 环境下创立一种控制台进程，在该进程中创立n个线程模仿生产者和消费者，实现进程(线程)同步与互斥。
2． 实验规定
l 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；
l 学习理解Windows同步对象及其特性；
l 熟悉实验环境，掌握有关API用法；
l 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)同步与互斥；
l 提交实验报告。

三、课程设计时间安排

课程设计时间 8学时

四、课程设计实验环境
本实验是在winxp＋VC6.0环境下实现，运用Windows SDK编制实例程序。因此实验需要在windows下安装VC后进行。VC是一种集成开发环境，其中包括了Windows SDK所有工具和定义；因此安装了VC后就不用特意安装SDK了。

五、正文

1、 实验程序构造图（流程图）；

开始
Produce
Wait Buffer

Wait Products
Consume

结束
While produce
While consume

2、数据构造及信号量定义阐明；
(1) CreateThread
l 功能——创立一种在调用进程地址空间中执行线程
l 格式
HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
DWORD dwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
LPVOID lpParamiter,
DWORD dwCreationFlags,
Lpdword lpThread );
l 参数阐明
lpThreadAttributes——指向一种LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程安全性描述符)。
dwStackSize——定义原始堆栈大小。
lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义函数。
lpParamiter——定义一种给进程传递参数指针。
dwCreationFlags——定义控制线程创立附加标志。
lpThread——保存线程标志符(32位)
(2) CreateMutex
l 功能——创立一种命名或匿名互斥量对象
l 格式
HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,
BOOL bInitialOwner,
LPCTSTR lpName);
l 参数阐明
lpMutexAttributes——必要取值NULL。
bInitialOwner——批示当前线程与否立即拥有该互斥量(即立即加锁)。
lpName——互斥量名称。
(3) CreateSemaphore
l 功能——创立一种命名或匿名信号量对象
l 格式
HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,
LONG lInitialCount,
LONG lMaximumCount,
LPCTSTR lpName );
l 参数阐明
lpSemaphoreAttributes——必要取值NULL。
lInitialCount——信号量初始值。该值不不大于0，但不大于lMaximumCount指定最大值。
lMaximumCount——信号量最大值。
lpName——信号量名称。
(4) WaitForSingleObject
l 功能——使程序处在等待状态，直到信号量hHandle浮现(即其值不不大于等于1)或超过规定等待时间
l 格式
DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle，DWORD dwMilliseconds);
l 参数阐明
hHandle——信号量指针。
dwMilliseconds——等待最长时间(INFINITE为无限等待)。
(5) ReleaseSemaphore
l 功能——对指定信号量加上一种指定大小量。成功执行则返回非0值
l 格式
BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,
LONG lReleaseCount,
LPLONG lppreviousCount );
l 参数阐明
hSemaphore——信号量指针。
lReleaseCount——信号量增量。
lppreviousCount——保存信号量当前值。
(6) ReleaseMutex
l 功能——打开互斥锁，即把互斥量加1。成功调用则返回0
l 格式
BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);
l 参数阐明
hMutex——互斥量指针。
(7) InitializeCriticalSection
l 功能——初始化临界区对象
l 格式
VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
l 参数阐明
lpCriticalSection——指向临界区对象指针。
(8) EnterCriticalSection
l 功能——等待指定临界区对象所有权
l 格式
VOID enterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
l 参数阐明
lpCriticalSection——指向临界区对象指针。
(9) LeaveCriticalSection
l 功能——释放指定临界区对象所有权
l 格式
VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
l 参数阐明
lpCriticalSection——指向临界区对象指针。

3、实验环节；
(1) 打开VC，选取菜单项file->new,选取projects选项卡并建立一种名为" R_WP1"win32 console applicatoin工程；创立时注意指定创立该工程目录；
(2) 在工程中创立源文献" R_WP1.cpp"：选取菜单项project->add to project->files，在选取框中输入自己想要创立文献名，这里是" R_WP1.cpp"；在接下来询问与否创立新文献时回答"yes"；然后通过Workspace->FileView->Source Files打开该文献，在其中编辑源文献并保存.
(3) 通过调用菜单命令项build->build all进行编译连接,可以在指定工程目录下得到debug-> R_WP1.exe程序，然后把给定test.txt文献存入该debug目录下，就可以在控制台进入该debug目录运营程序了。需要强调是在创立数据文献时，由于涉及到文献格式问题，最佳在记事本中手工逐个输入数据，而不要拷贝粘贴数据。

4、重要算法
创立生产者和消费者线程
for(i =0;i< (int) n_Thread;i++){
if(Thread_Info[i].entity =='P')
h_Thread[i]= CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
else
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
}
生产者进程
void Produce(void *p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
int m_serial;

//获得本线程信息；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);

Sleep(m_delay);
//开始祈求生产
printf("Producer %2d sends the produce require.\n",m_serial);

//确认有空缓冲区可供生产，同步将空位置数empty减1；用于生产者和消费者同步；
wait_for_semaphore = WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);

//互斥访问下一种可用于生产空临界区，实现写写互斥；
wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);
int ProducePos = FindProducePosition();
ReleaseMutex(h_mutex);

//生产者在获得自己空位置并做上标记后，如下写操作在生产者之间可以并发；
//核心生产环节中，程序将生产者ID作为产品编号放入，以便消费者辨认;
printf("Producer %2d begin to produce at position %2d.\n",m_serial,ProducePos);
Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial;
printf("Producer %2d finish producing :\n ",m_serial);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]);
//使生产者写缓冲区可以被各种消费者使用，实现读写同步；
ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);
}

消费者进程
void Consume(void * p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,m_delay;
int m_serial,m_requestNum; //消费者序列号和祈求数目；
int m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程祈求队列；

//提取本线程信息到本地；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_requestNum = ((ThreadInfo *)(p))->n_request;
for (int i = 0;i<m_requestNum;i++)
m_thread_request[i] = ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];

Sleep(m_delay);
//循环进行所需产品消费
for(i =0;i<m_requestNum;i++){

//祈求消费下一种产品
printf("Consumer %2d request to consume %2d product\n",m_serial,m_thread_request[i]);
//如果相应生产者没有生产，则等待；如果生产了,容许消费者数目-1；实现了读写同步；
wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1)；

//查询所需产品放到缓冲区号
int BufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]);

//开始进行详细缓冲区消费解决，读和读在该缓冲区上依然是互斥；

//进入临界区后执行消费动作；并在完毕本次祈求后，告知此外消费者本处祈求已

//经满足；同步如果相应产品使用完毕，就做相应解决；并给出相应动作界面提

//示；该相应解决指将相应缓冲区清空，并增长代表空缓冲区信号量；
EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);
printf("Consumer%2d begin to consume %2d product \n",m_serial,m_thread_request[i]);
((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i] =-1;
if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){
Buffer_Critical[BufferPos] = -1； //标记缓冲区为空；
printf("Consumer%2d finish consuming %2d:\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]);
ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);
}
else{
printf("Consumer %2d finish consuming product %2d\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
}
//离开临界区
LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);

}
}

5、实验运营图；

6、实验成果分析；
只有在生产者生产了产品并将产品存储到缓冲池中消费者才干去消费，当缓冲池为空时消费者不能消费

六、 结论（应当精确、完整、明确精练；也可以在结论或讨论中提出建议、设想、尚待解决问题等。）

七、 参照文献
【1】汤子瀛等.计算机操作系统.西安电子科技大学出版社.2月
【2】张尧学等编著，计算机操作系统教程，清华出版社。.2
【3】严蔚敏，吴伟民编著，数据构造，清华大学出版社。
【4】陈向群编著，操作系统教程，北京大学出版社，.07
【5】郑莉等编著，C++语言设计。北京：清华大学出版社.

八、 指引教师评语

签名：

年 月 日

课程设计成绩

附：课程设计源代码：
#include<windows.h>
#include<fstream.h>
#include<stdio.h>
#include<string>
#include<conio.h>

//定义常量；
//此程序容许最大临界区数；
#define MAX_BUFFER_NUM 10
//秒到微秒乘法因子；
#define INTE_PER_SEC 1000
//本程序容许生产和消费线程总数；
#define MAX_THREAD_NUM 64

//定义一种构造，记录在测试文献中指定每一种线程参数
struct ThreadInfo
{
int serial; //线程序列号
char entity; //是P还是C
double delay; //线程延迟
int thread_request[MAX_THREAD_NUM]； //线程祈求队列
int n_request; //祈求个数
};

//全局变量定义

//临界区对象声明,用于管理缓冲区互斥访问；
CRITICAL_SECTION PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];
int Buffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM]；//缓冲区声明，用于存储产品；
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM]; //用于存储每个线程句柄数组；
ThreadInfo Thread_Info[MAX_THREAD_NUM]; //线程信息数组；
HANDLE empty_semaphore; //一种信号量；
HANDLE h_mutex; //一种互斥量；
DWORD n_Thread = 0; //实际线程数目；
DWORD n_Buffer_or_Critical; //实际缓冲区或者临界区数目；
HANDLE h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]；//生产者容许消费者开始消费信号量；

//生产消费及辅助函数声明
void Produce(void *p);
void Consume(void *p);
bool IfInOtherRequest(int);
int FindProducePositon();
int FindBufferPosition(int);

int main(void)
{
//声明所需变量；
DWORD wait_for_all;
ifstream inFile;

//初始化缓冲区；
for(int i=0;i< MAX_BUFFER_NUM;i++)
Buffer_Critical[i] = -1;
//初始化每个线程祈求队列；
for(int j=0;j<MAX_THREAD_NUM;j++){
for(int k=0;k<MAX_THREAD_NUM;k++)
Thread_Info[j].thread_request[k] = -1;
Thread_Info[j].n_request = 0;
}
//初始化临界区；
for(i =0;i< MAX_BUFFER_NUM;i++)
InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]);

//打开输入文献，按照规定格式提取线程等信息；
inFile.open("test.txt");
//从文献中获得实际缓冲区数目；
inFile >> n_Buffer_or_Critical;
inFile.get();
printf("输入文献是:\n");
//回显获得缓冲区数目信息；
printf("%d \n",(int) n_Buffer_or_Critical);
//提取每个线程信息到相应数据构造中；
while(inFile){
inFile >> Thread_Info[n_Thread].serial;
inFile >> Thread_Info[n_Thread].entity;
inFile >> Thread_Info[n_Thread].delay;
char c;
inFile.get(c);
while(c!='\n'&& !inFile.eof()){
inFile>> Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++];
inFile.get(c);
}
n_Thread++;
}

//回显获得线程信息，便于确认对的性；
for(j=0;j<(int) n_Thread;j++){
int Temp_serial = Thread_Info[j].serial;
char Temp_entity = Thread_Info[j].entity;
double Temp_delay = Thread_Info[j].delay;
printf(" \n thread%2d %c %f ",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);
int Temp_request = Thread_Info[j].n_request;
for(int k=0;k<Temp_request;k++)
printf(" %d "，Thread_Info[j].thread_request[k]);
cout<<endl;
}
printf("\n\n");

//创立在模仿过程中几种必要信号量
empty_semaphore=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical,
"semaphore_for_empty");
h_mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_update");

//下面这个循环用线程ID号来为相应生产线程产品读写时所
//使用同步信号量命名；
for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){
std::string lp ="semaphore_for_produce_";
int temp =j;
while(temp){
char c = (char)(temp%10);
lp+=c;
temp/=10;
}
h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str());
}

//创立生产者和消费者线程；
for(i =0;i< (int) n_Thread;i++){
if(Thread_Info[i].entity =='P')
h_Thread[i]= CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
else
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
}

//主程序等待各个线程动作结束；
wait_for_all = WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf(" \n \nALL Producer and consumer have finished their work. \n");
getch();
return 0;
}

//确认与否尚有对同一产品消费祈求未执行；
bool IfInOtherRequest(int req)
{
for(int i=0;i<n_Thread;i++)
for(int j=0;j<Thread_Info[i].n_request;j++)
if(Thread_Info[i].thread_request[j] == req)
return TRUE;

return FALSE;
}

//找出当前可以进行产品生产空缓冲区位置；
int FindProducePosition()
{
int EmptyPosition;
for (int i =0;i<n_Buffer_or_Critical;i++)
if(Buffer_Critical[i] == -1){
EmptyPosition = i;
//用下面这个特殊值表达本缓冲区正处在被写状态；
Buffer_Critical[i] = -2;
break;
}
return EmptyPosition;
}

//找出当前所需生产者生产产品位置；
int FindBufferPosition(int ProPos)
{
int TempPos;
for (int i =0 ;i<n_Buffer_or_Critical;i++)
if(Buffer_Critical[i]==ProPos){
TempPos = i;
break;
}
return TempPos;
}

//生产者进程
void Produce(void *p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
int m_serial;

//获得本线程信息；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);

Sleep(m_delay);
//开始祈求生产
printf("Producer %2d sends the produce require.\n",m_serial);

//确认有空缓冲区可供生产，同步将空位置数empty减1；用于生产者和消费者同步；
wait_for_semaphore = WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);

//互斥访问下一种可用于生产空临界区，实现写写互斥；
wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);
int ProducePos = FindProducePosition();
ReleaseMutex(h_mutex);

//生产者在获得自己空位置并做上标记后，如下写操作在生产者之间可以并发；
//核心生产环节中，程序将生产者ID作为产品编号放入，以便消费者辨认;
printf("Producer %2d begin to produce at position %2d.\n",m_serial,ProducePos);
Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial;
printf("Producer %2d finish producing :\n ",m_serial);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]);
//使生产者写缓冲区可以被各种消费者使用，实现读写同步；
ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);
}

//消费者进程
void Consume(void * p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,m_delay;
int m_serial,m_requestNum; //消费者序列号和祈求数目；
int m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程祈求队列；

//提取本线程信息到本地；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_requestNum = ((ThreadInfo *)(p))->n_request;
for (int i = 0;i<m_requestNum;i++)
m_thread_request[i] = ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];

Sleep(m_delay);
//循环进行所需产品消费
for(i =0;i<m_requestNum;i++){

//祈求消费下一种产品
printf("Consumer %2d request to consume %2d product\n",m_serial,m_thread_request[i]);
//如果相应生产者没有生产，则等待；如果生产了,容许消费者数目-1；实现了读写同步；
wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1)；

//查询所需产品放到缓冲区号
int BufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]);

//开始进行详细缓冲区消费解决，读和读在该缓冲区上依然是互斥；

//进入临界区后执行消费动作；并在完毕本次祈求后，告知此外消费者本处祈求已

//经满足；同步如果相应产品使用完毕，就做相应解决；并给出相应动作界面提

//示；该相应解决指将相应缓冲区清空，并增长代表空缓冲区信号量；
EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);
printf("Consumer%2d begin to consume %2d product \n",m_serial,m_thread_request[i]);
((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i] =-1;
if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){
Buffer_Critical[BufferPos] = -1； //标记缓冲区为空；
printf("Consumer%2d finish consuming %2d:\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]);
ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);
}
else{
printf("Consumer %2d finish consuming product %2d\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
}
//离开临界区
LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);

}
}